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2021-02-14 06:12
為什麼冰的密度比水小?
9
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1 # 使用者6112658023058
補充一個假設推論:
物質的熔點(凝固點,下同),通常是指一個大氣壓時的情況;如果壓強變化,熔點也要發生變化。熔點隨壓強的變化有兩種不同的情況。對於大多數物質,熔化過程是體積變大的過程,當壓強增大時,這些物質的熔點要升高;對於像水這樣的物質,與大多數物質不同,冰熔化成水的過程體積要縮小 (金屬鉍、銻等也是如此) ,當壓強增大時冰的熔點要降低。因此本假設下,壓強增大,水的凝固點要升高。大部分答案認為冰比水密度大會直接帶來冰期……然而我不這麼看,主要從三個角度考慮這個問題:一是全球宏觀角度:我們不妨先考慮這樣一個問題:海面和陸地或冰蓋冰面,兩者誰對輻射的反射能力更強?答案應當是冰面。這意味著,從全球角度考慮,由於冰比水密度大,凡是在冬季會形成浮冰的水域,其對太陽輻射的吸收能力由於表面的變化得到增強,考慮到缺少表面冰面保護後,水體由於對流作用,水溫上下差異更小,更多的水的比熱容被用來承載整體環境溫度的降低,因此全球範圍內的冬季氣溫將會有所提高(輻射吸收更多,比熱容巨大的水體的溫度調節功能發揮作用更大)。考慮全球冰蓋的實際情況(高緯度,太陽輻射角小,有極晝極夜,除了北冰洋一片多為陸地冰蓋),我覺得這個效應不會太強,但是能保證的一個結果是:地球不會因為本題假設直接進入冰期。看完宏觀整體情況,再對微觀環境變化進行分析,我們知道水有一個獨特的性質,就是其密度變化不是完全的熱脹冷縮,因此微觀水體的垂直水溫分佈存在這樣的現象:水體熱分層(1) 由0℃及其以下向4℃升溫,這時水的密度增加,由於熱的傳遞,表層水較重,開始下沉,下層水輕,上浮,表層水和底層水發生垂直扭轉的現象,直到整個水體都達到4℃為止,這個時期稱全同溫扭轉期。(2)水由4℃繼續升溫,表層水密度下降,底層水相對較重,不發生扭轉。由於熱傳導,在表層和底層之間常產生一個躍溫層,其特點是:溫度的梯度很大,這時水呈停滯狀態,這種狀態成為正分層,一般出現在春夏季節。當氣候變化(大風、雨、氣壓低)時,也可以發生扭轉現象,使底層的缺氧水及其有毒物質(H2S、氨氣)帶到表層,造成表層水缺氧,產生泛塘現象。(3)高溫向4℃降溫時,表層水密度增加,開始下沉,與次表層水扭轉混合,最後與底層水扭轉混合,出現全同溫扭轉(夏秋季節),也可以造成泛塘。(4)從4℃繼續降溫,表層水密度下降,停在表層,比下層水水溫低,這種狀態稱為逆分層。由這一性質產生的結果,概括起來就是:底層水溫較為穩定,表層水溫隨氣溫和輻射影響變化較大。本問題中,假設情況是表層水結冰後,冰晶的密度將比水大,那麼,(4)水溫逆分層的情況將不再發生,表層低溫水結冰後,形成的小冰晶(考慮水體表面張力,冰晶的直徑應該存在一個極限值,大於這個極限值的冰晶將下沉)下沉,離開表層低溫水體,進入地層恆溫水體,然後融化,因此水溫逆分層情況將消失,最終結果如下:(1)4℃以下,水體全部為同溫扭轉期。(2)4℃以上,水體水溫正分層(上比下高)這意味著,當冬季來臨時,一個小的池塘/河流水體,由於整體水溫同溫降低,到冰點以下,幾乎同時凍成一個冰坨坨,而不是像現在那樣,從上往下凍。而當春夏來臨時,整個池塘發生如下變化:(1)表層水融化(2)表層水維持在4℃並逐步侵蝕融化地層冰(3-1)由於0℃的水的密度和8℃的水密度相當,因此只要表層水不快速升溫到8℃,那麼整個池塘的水會維持在4℃左右,並不斷侵蝕融化底層的冰,最終全池融化,水溫繼續升高,出現正分層。(3-2)當表層水溫升溫過快時,可能發生這樣的水溫正分層8℃以上水-------------0℃水--------------0℃及以下冰我個人認為3-2的情況出現的可能不大(或者比例不大),因為這樣的水溫變化意味著氣溫轉暖十分迅速,所處的環境應該是一個四季變化十分迅速,冬季溫度很低,春季溫度急劇上升的地方,並且還要有比較充足的水資源,水太少了土壤溫度的變化也足以把下層的冰融化,西伯利亞地區也許會發生這種情況。因此,我認為在本題假設下,中高緯度地區小的池塘、河流水體將會出現整體凝固/融化的情況,帶來的生態影響是這部分地區的水生生物基本玩完了。如果放在中國的話,界限可能是秦嶺淮河以北(這部分待補充完善),但是大家擔心的洪水可能未必會發生,因為冰都在河底,不會淤塞河道,只是抬高水位,而春季水位達不到汛期的水位,且快速流動的水體不容易發生水溫正分層,所以發生洪水的可能性真的不大,甚至黃河凌汛會從此消失。然後我們將上文中小型水體的分析應用到大型水體中——海洋海洋水溫分層現象更為顯著世界海洋的水溫變化一般在-2℃—30℃之間,其中年平均水溫超過20℃的區域佔整個海洋麵積的一半以上。經直接觀測表明:海水溫度日變化很小,變化水深範圍從0—30米處,而年變化可到達水深350米左右處。在水深350米左右處,有一恆溫層。但隨深度增加,水溫逐漸下降(每深1000米,約下降1°—2℃),在水深3000—4000米處,溫度達到2°—-1℃。這時將存在兩個極端,一是對於深海來說,由於水壓增加,凝固點升高,全凍上了,這一情況到某個臨界水深驟然消失,然後對於這個臨界水深上面的水,由於水溫逆分層現象的消失,水體比熱容又大,現在世界上的浮冰水總量與它們下層臨界水深以上的水的體積比起來小太多,完全無法達到微型水體那樣的全部凍上的程度……(這部分需要再找資料論證,可能出現臨界水深太小而真的出現全凍上的情況)所以,所有的浮冰都消失了。因此,對於海洋來說,我們將看到,深海出現一個超大冰層,這個冰層的邊界將與現在的大陸板塊邊界高度重合(板塊邊界地質活動劇烈,水溫高,沒凍上),由於這部分冰層凝固了大量水,冰的體積還比水小,世界海平面將大大降低,由此帶來的地質活動恐怕會很可怕……對於生態系統來說,深海生態系統玩完了,然後北極熊玩完了,以浮游生物為基礎的海洋生態系統倒不會受到大的影響。然而,雖然冰期沒有直接到來,但是由於板塊活動劇烈,到處火山爆發地震災害,火山灰漫布全球,太陽被遮擋,隨著氣溫的降低,海水的臨界水深不斷降低,直到大部分海域出現整體凍結,而凍結的海水對大陸板塊邊界的壓力不均勻越來越劇烈,最終出現大陸板塊邊界火山活動更加劇烈,而板塊其他地方進入暗無天日的冰期。於是後來有人把這段歷史編成了冰與火之歌……若干年後,地球的內能耗盡,火山灰塵埃由於大氣水分缺乏難以被降水沖刷落地,長久瀰漫在星球表面,這顆星球變成了灰渣渣籠罩的冰坨坨。
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